微机原理绪论和第一章.ppt

课程名称 微型计算机原理与应用Principle ApplicationofMicrocomputer教材 微型计算机原理及应用郑学坚周斌编著清华大学出版社授课 王志强计算机学院 绪论 1 电子计算机发展简史 1 1946 1958第一代 电子管计算机 磁鼓存储器 机器语言 汇编语言编程 世界上第一台电子数字计算机ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator 1946年由美国宾夕法尼亚大学研制 字长12位 运算速度5000次 秒 使用18800个电子管 1500个继电器 功耗150kw h 占地170m2 重达30吨 造价100万美元 见下页图 2 1958 1964第二代 晶体管计算机 磁芯作主存储器 磁盘作外存储器 开始使用高级语言编程 3 1964 1971第三代 集成电路计算机 使用半导体存储器 出现多终端计算机和计算机网络 4 1971 第四代 大规模集成电路计算机 出现微型计算机 单片微型计算机 外部设备多样化 5 1981 第五代 人工智能计算机 模拟人的智能和交流方式 2 计算机发展趋势微型化 便携式 低功耗高性能 尖端科技领域的信息处理 需要超大容量 高速度智能化 模拟人类大脑思维和交流方式 多种处理能力系列化 标准化 便于各种计算机硬 软件兼容和升级网络化 网络计算机和信息高速公路多机系统 大型设备 生产流水线集中管理 独立控制 故障分散 资源共享 绪论 微型计算机系统 硬件 微型计算机 主机 微处理器 CPU 软件 外围设备 运算器控制器 存储器 内存 RAMROM 外部设备 辅助设备 输入设备 键盘 扫描仪 语音识别仪 输出设备 显示器 打印机 绘图仪 辅助存储器 磁带 磁盘 光盘 总线 AB DB CB 系统软件 操作系统 编辑 编译程序 故障诊断 监控程序 应用软件 科学计算 工业控制 数据处理 程序设计语言 机器语言 汇编语言 高级语言 电源电路时钟电路 绪论 3 微型计算机系统的组成与结构 微处理器 微型计算机 微型计算机系统之间的联系与区别 单片机简介 单片机即单片微型计算机 是将计算机主机 CPU 内存和I O接口 集成在一小块硅片上的微型机 单片机为工业测控而设计 又称微控制器 具有三高优势 集成度高 可靠性高 性价比高 主要应用于工业检测与控制 计算机外设 智能仪器仪表 通讯设备 家用电器等 特别适合于嵌入式微型机应用系统 8位 MCS51系列单片机 AVR系列单片机16位 MSP430系列单片机32位 ARM系列芯片 嵌入式系统 用途 主要应用于工业测控仪器 手机 智能家电 智能机器人 电机电器等方面 特点 一般具有CPU 内存 RAM Flash存储器 相当于硬盘 A D转换器 D A转换器 定时器等 可外接液晶或LED显示器以及键盘等外设 程序一般采用汇编语言 C语言等直接编程或加载UcLinux WinCE等嵌入式操作系统小知识 IPHONE为采用ARM处理器 目前ARM主频最高达到1GHz 相对照 386 8MHZ 486 33MHZ 66MHZ 586 133MHZ MCS51系列单片机 超低功耗MSP430单片机 ARM和利用ARM Linux开发的产品 单板机 将CPU 内存 I O接口及其它辅助电路全部装在一块印刷电路板上 组成单板机 当单片机片上资源不够时 也可以扩展为单扳机 特点 结构简单 价廉应用 过程控制 数据处理 BTX主板 北桥和南桥 微型计算机按用途分类 PC 个人电脑 笔记本电脑 服务器 工控机1 PC机 个人电脑 主要有IBMPC兼容机和Apple微机两类 绝大多数是IBM兼容机 两者的主要区别是 IBM兼容机一般采用Windows操作系统 苹果机采用自行开发的Mac操作系统 2 笔记本电脑 便携式个人PC 注重系统体积的减小和功耗的降低 具有较高的抗震性能 3 服务器 与PC相似 一般用于网络服务的高性能计算机 具有比常用PC更高的速度更大的内存以及容量更大的硬盘 操作系统一般为WindowsNT或unix 4 工控机 IndustrialPersonalComputer IPC 是一种加固的增强型个人计算机 它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行 其特点是 采用特殊机箱 具有较高的抗电磁干扰能力 插件经过特殊设计具有很高的抗震能力 并配有工业电源 工控机 绪论 4 计算机主要技术指标字长 CPU并行处理二进制的数据位数如 8位机 16位机 32位机和64位机 内存容量 内存中能够存储的二进制信息的数量 位 字节 字 容量单位 1K 210 1024 1M 220 1KK 1G 230 1KM 1T 240 1KG 运算速度 CPU处理速度相关参数 时钟频率 主频 每秒运算次数如 100MHz 3 2GHz 内存存取周期 内存读写速度如 50nS 70nS 200nS 绪论 5 计算机主要应用领域计算机应用通常分成如下各个领域科学计算 数据处理 实时控制 计算机辅助设计 人工智能 由于微型计算机具有如下特点体积小 价格低 工作可靠 使用方便 通用性强 所以 微型计算机可以分为两个主要应用方向 用于数值计算 数据处理及信息管理方向通用微机 例如 PC微机功能越强越好 使用越方便越好用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机 例如 单片机 工控机可靠性高 实时性强程序相对简单 处理数据量小 6 本门课程的研究内容及其地位与作用研究内容 微机系统的基本组成与结构 工作原理及应用方法与技术 本门课程在计算机知识结构中的地位与作用 绪论 第1章计算机基础知识 1 1数制1 1 1数制的基本概念数制是人们利用符号来记数的科学方法 计算机科学中经常使用的数制有十进制 二进制 八进制和十六进制 1 十进制 decimalsystem 有十个数码0 9 逢十进一 十进制是人们最熟悉的计数体制 2 二进制 binarysystem 两个数码 0 1 逢二进一 二进制为计算机中的数据表示形式 3 八进制 octavesystem 有八个数码0 7 逢八进一 4 十六进制 hexadecimalsystem 十六个数码 0 9 A F 逢十六进一 八进制和十六进制能够简化二进制数的表示 不同进位制数以下标或后缀区别 十进制数可不带下标 如 101 101D 101B 101O 101H 十进制数据表达式例1234 5 1 103 2 102 3 101 4 100 5 10 1加权展开式以10为基数 各位系数为0 9 一般表达式 ND dn 1 10n 1 dn 2 10n 2 d0 100 d 1 10 1 二进制数据表达式例1101 101 1 23 1 22 0 21 1 20 1 2 1 1 2 3加权展开式以2为基数 各位系数为0 1 一般表达式 NB bn 1 2n 1 bn 2 2n 2 b0 20 b 1 2 1 第1章计算机基础知识 十六进制数据表达式例 DFC 8 13 162 15 161 12 160 8 16 1展开式以16为基数 各位系数为0 9 A F 一般表达式 NH hn 1 16n 1 hn 2 16n 2 h0 160 h 1 16 1 进位计数制的一般表达式 an 1an 2 a1a0 a 1 a m an 1 rn 1 an 2 rn 2 a1 r1 a0 r0 a 1 r 1 a m r m其中r称为数制的基 rn 1 rn 2 r1 r0 r 1 r m称为各位的权 an 1 an 2 a1 a0 a 1 a m称为各位的系数 第1章计算机基础知识 第1章计算机基础知识 1 1 2数制之间的转换 1 二 十六进制数转换成十进制数各位的系数乘以各位的权 然后全部加起来 举例 1011 1010B 1 23 1 21 1 20 1 2 1 1 2 3 11 625DFC 8H 13 162 15 161 12 160 8 16 1 3580 5 2 二进制与十六进制数之间的转换24 16 四位二进制数对应一位十六进制数 举例 3AF 2H 001110101111 0010 1110101111 001B3AF21111101 11B 01111101 1100 7D CH7DC 第1章计算机基础知识 1 1 2数制之间的转换 3 十进制数转换成二 十六进制数整数 小数分别转换1 整数转换法 除基取余 十进制整数不断除以转换进制基数 直至商为0 每除一次取一个余数 从低位排向高位 例题1 39转换成二进制数39 100111B2391 b0 2191 b1 291 b2 240 b3 220 b4 211 b5 0 例题2 208转换成十六进制数208 D0H16208余01613余13 DH0 2 小数转换法 乘基取整 用转换进制的基数乘以小数部分 直至小数为0或达到转换精度要求的位数 每乘一次取一次整数 从最高位排到最低位 例1 0 625转换成二进制数0 625 21 251 b 1 0 25 20 500 b 2 0 50 21 001 b 3 所以0 625 0 101B 第1章计算机基础知识 第1章计算机基础知识 1 2逻辑电路逻辑电路是实现输入信号与输出信号之间逻辑关系的电路 计算机对于信息数据的处理都是由逻辑电路实现的 因此逻辑电路是计算机的硬件基础 常用的基本逻辑门电路有 与门 或门 非门 与非门 或非门 异或门 同或门 缓冲器等 这些基本门电路是构成逻辑电路的基本成分 利用它们可以搭建多种多样的复杂的逻辑电路 各个基本逻辑门电路符号及表达式见课本P4 5 下面给出的是另外一种表示方法 第1章计算机基础知识 1 3布尔代数布尔代数又称为开关代数或逻辑代数 是在1847年由英国数学家乔治 布尔 GeorgeBoole 首先创立的 布尔代数研究逻辑变量之间的相互关系和变化规律 它是分析和设计数字逻辑电路的理论基础和基本工具 布尔代数的特点 1 变量只有两种可能的取值 0或1 2 只有3种基本的逻辑运算 与 或 非 1 3 1基本逻辑运算最基本的逻辑操作 与 逻辑乘 符号A B或AB或A B 或 逻辑加 符号A B 非 逻辑非或逻辑反 符号A 或A 与操作的定义 A 1且B 1 AB 1或操作的定义 A 1或B 1 A B 1非操作的定义 若A 1则A 0 若A 0则A 1类似地可以定义多个变量的与操作和或操作 多位二进制数的逻辑运算定义为各对应位分别进行相应的逻辑运算 见P6 7例1 5 例1 7其它常用的逻辑操作 与非 或非 与或非 异或 同或等 第1章计算机基础知识 1 3 2基本运算规律 A 0 AA 0 0A A 1A A 0A 1 1A 1 AA A AA A AA B B AA B B AA A A B C A B C A B C A B C A B C A B A CA B C A B A C A A B AA A B AA A B A BA A B A BA B A BA B A B 补充 计算机里的各种 码 原码反码补码二进制编码的十进制码 BCD码 ASCII码LED显示码 机器数中会有正有负 符号怎么表示呢 通常数的最高位为符号位 对于字长8位机器数 D7为符号位 0表示 1表示 符号数码化 D6 D0为数字位 如 X 01011011 2 91X 11011011 2 91连同符号位在一起作为一个数称为机器数 符号数码化 对数据进行运算时 符号位应如何处理 把符号位和数值位一起编码 原码 反码 补码 1 原码 最高位为符号位 其余位为数值正数符号位用 0 表示 负数符号用 1 表示 这种表示法称为原码 X 105 X 原 01101001X 105 X 原 11101001符号绝对数值原码表示简单 真值转换方便 减法不方便 引进反码 补码 3 反码 正数反码表示 与原码相同 最高位 0 表示正 其余位为数值位 负数的反码表示 为负数原码的符号位不变尾数按位取反 例 4 反 00000100 4 反 11111011 127 反 01111111 127 反 10000000 0 反 00000000 0 反 11111111 4 补码正数的补码表示 与原码相同 最高位用 0 表示正 其余位为数值位 负数的补码表示 为它的反码 1 127 原 01111111 0 原 00000000 127 反 10000000 0 反 11111111 127 补 10000001 0 补 00000000微机中有符号数都是采用补码表示 引进补码以后 做原码的减法与做补码的加法结果相同 总结 对于正数 反码 补码 原码 对于负数 反码 除符号位以外的各位取反 补码 反码 1 a b a b的补码 二进制编码的十进制BCD码 用二进制代码来表示十进制的0 9十个数 要用二进制代码来表示十进制的0 9十个数 至少要用4位二进制数 0 00001 00012 00103 00114 01005 01016 01107 01118 10009 1001例子 321的8421码就是321001100100001 字和各种字符的编码 ASC 编码 1 无符号数表示字和各种字符按照特定规则用二进制编码在机器中表示